金属铝的热导率的测量
班级:机111 姓名:XXX 学号:3111111111
在做大学物理实验“稳态法测量不良导体的热导率”时,老师提问是否可以用稳态法测量良导体,本人对于这个问题进行了资料收集。理论分析和试验结果可以表明,稳态法也可以测量良导体的热导率。本文中选择金属铝为研究对象,讨论了稳态法测量良导体的方法。
一、稳态法测量热导率的原理
导热系数是表征物体传热性质的物理量,它与材料的结构、杂质的多寡和温度有关。导热系数常用实验方法测定。用温度稳态法测定,即先利用热源在试样内形成稳定的温度分布,然后再用铂电阻作为传感器的数显温度计测量其温度差,并通过测其散热速率来测传热速率,最后用傅立叶导热方程式求出导热系数。
导热系数的测定原理是以法国数学、物理学家约瑟夫·傅立叶给出的导热方程式为基础的。该方程式指出,在物体内部,在垂直于导热的方向上,两个相距为h,面积为A,温度分别为,的平行平面,在秒内,从一个平面传到另一个平面的热量ΔQ,满足下述表式:
(1)
式中定义为该物质的导热系数,亦称热导率。由此可知,导热系数是一表征物质热传导性能的物理量,其数值等于二相距单位长度的平行平面上,当温度相差一个单位时,在单位时间内,垂直通过单位面积所流过的热量。
图1热传导规律
材料的结构变化与杂质多寡对导热系数都有明显的影响。同时,导热系数一般随温度而变化,所以实验时对材料的成分,温度等都要一并记录。
根据装置,由傅立叶导热方程式可得:
(2)
式中h为试样厚度,R为试样圆盘的半径,λ为试样的热导率,θ1,θ2分别为稳态时试样上下平面(即加热铜盘和散热铜盘)的温度。
实验时,当传热达到稳态时,θ1和θ2的值将稳定不变,这时可以认为发热体C通过试样圆盘上平面传入热量的传热速率与由散热铜盘P向周围环境散热的散热速率相等。因此可通过散热铜盘P在稳定温度θ2时的散热速率求出传热速率ΔQ/Δt,方法如下:当读得稳态时的θ1,θ2后,将试样B盘抽去,让发热体C底部的加热铜盘与散热铜盘直接接触,使盘P的温度上升到高于稳态时的温度值十多度。再将发热体C移开,让散热铜盘自然冷却,每隔一定时间读一下散热铜盘的温度示值,求出铜盘在稳定温度θ2附近的冷却速率,
冷却速率就是散热盘在时的散热速率。式中、分别为散热铜盘的质量和比热。
将上式代入(2)式,则得
考虑到加热铜盘移离后,在散热铜盘散热时,其表面全部暴露在空气中冷却,即其
散热面积为,而实验中通过加热达到稳态传热时,散热铜盘的上表面(面积为)是被试样覆盖着的,散热铜盘的散热面积为。基于物体的冷却速率与它的散热面积成正比,故需对作如下修正,即
式中R、h分别为散热铜盘的半径和厚度。
因,
代入(2)式得
(3)
二、用稳态法测量良导体的实现
1、样品选择
由原理可知,使导体上下表面行成温差是测量热导率的关键,但是良导的体的导热性能很好,要使上下表面出现温差并不是简单的事,并且良导体还存在散热很快的问题,或造成一定相当大的误差。但是从理论的角度推测,理论上,用稳态法测良导体的导热率是可行的,因为不管其导热性能再佳,仍然存在上下表面温差,即满足稳态法测量热导率的最根本的条件。于是在用铝作为良导体为代表的时候,为了让上下表面温差达到可测状态。我将铝做成圆柱状,并且高度达到10cm。并且采用精密度更优的温度计测量。为了减小散热,我将铝柱外套上泡沫隔层,以便得到更精确的铝柱自然冷却时温度随时间的变化数据。
2、实验仪器
FD-TC-B型热导率测定仪器装置,铝柱样品,铜加热盘B,铜散热盘P,支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器,塑料泡沫隔层。
3、实验
加热盘的温度上升到设定温度值时,开始记录散热盘温度,可每隔1min记录一次,待在10min或更长时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变,可以认为已经达到稳定状态。按复位键停止加热,取走铝柱,调节3个螺钉使加热盘和散热盘接触良好,再设定温度到80℃,加快散热盘的温度上升,使散热盘温度上升到高于稳态时的θ2值20℃左右即可。移去加热盘,让散热圆盘在风扇作用下冷却,每隔一定温度记录一次散热盘的温度示值,由临近θ2值的温度数据中计算冷却速率。根据测量得到的稳态时的温度值计算冷却速率。
计算得到降温速率为2.24K/s,将其它参数代入(3)式,计算得到金属铝的导热系数为217.7W/mK。
三、结论
本文中选择金属铝为研究对象,讨论了稳态法测量良导体的方法。设计了试验并测得金属铝的导热系数为217.7W/mK。
参考文献:
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2010大学生物理实验研究论文
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正文(含图、表)中的物理量和计量单位必须符合国家标准和国际标准。
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文中图、表应有自明性,且随文出现。图以10幅为限。图中文字、符号或坐标图中的标目、标值须写清。标目应使用符合国家标准的物理量和单位符号。表格一般采用“三线表”,表的内容切忌与插图和文字内容重复。
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表1 中文表题居中(表随文出现,且出现在同一页面内) 基本要求
表中文字中文采用小5号宋体,西文采用
Times New Roman字体。
物理量和表中的物理量和计量单位必须符合国家标
计算单位 准和国际标准。
注: 表注采用小5号宋体
公式主体居中,编号右对齐,如下所示。 ??M11M12??x??
??M?????C11C12???x????K11K12???x?????0???? (1) 21M??22????xg??C?21C22??xg??K?21K22??xg??F?
2010大学生物理实验研究论文
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图1 中文图题(图随文出现,且出现在同一页面内) 图中说明文字采用小五宋体,物理量和计量单位必须符合国家标准和国际标准。
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